专利名称：信号分析的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过多个分量随机信号来分解和表示宽带不规则信号的方法和装置，各个分量信号占用比主信号窄的频带。本发明对于通过利用涉及诸如零交叉的电平交叉检测的技术来提高对于信号的分析、表示和/或处理能力特别有用。
背景技术：
存在涉及检测电平交叉(特别是零交叉)的多种信号分析技术。例如，极性一致相关(polarity coincidence correlation)是一种已知很长时间的技术(例如，参见Helmut Berndt，“Correlation FunctionEstimation by a Polarity Method Using Stochastic ReferenceSignals”.IEEE Transactions on Information Theory，vol.14，No.6，Novemeber 1968，pp.796-801)。
在WO-A-00/39643(在此通过引用并入)中公开了一个比较新近的示例。该文献描述了一种通过检测在第一信号中的不均匀间隔的零交叉并且使用这些零交叉来触发对第二信号的抽样以检测两个不规则信号(这两个信号中一个信号是另一个信号的副本)之间的偏移(shift)的方法。该系统在零交叉和抽样时间之间引入不同的延迟。对于各个延迟值，将这些样本求和。对于大多数的延迟，求和样本表示平均信号值。然而，当延迟接近与两个信号之间的偏移相匹配的值时，求和样本变得相干，同时在系统输出中产生区别特征。图1表示一种典型输出，横轴表示在所检测的零交叉和第二信号的抽样之间引入的延迟。图中清晰显示的S形奇函数位于与两个信号之间的时间偏移相对应的位置处。
将该方法称为“交联(crosslation)”，并且实施该方法的系统被称为“交联器(crosslator)”。例如，可以通过发送宽带、类噪声的不规则信号并且测量该信号和来自目标的反射信号之间的延迟来将这种技术用于目标检测。
如WO-A-00/39643中所述，所检测的零交叉可以是在信号电平以正斜率与零相交时产生的交叉(上升交叉)，或者可以是在电平以负斜率与零相交时产生的交叉(下降交叉)，或者是二者。如果使用上升交叉和下降交叉，则从由下降交叉定义的求和样本中减去由上升交叉所定义的求和样本。
在WO-A-00/39643中，移位寄存器产生第二信号的多个版本，将这些版本延迟不同的量。各个零交叉同时触发这些不同版本的抽样。图2是表示在目标检测和测距(ranging)系统中用于测量时间延迟的另一种形式的交联器。在图2的系统中，对各个不同的延迟连续地而不是同时地获得通过将第二信号的抽样进行组合而得到的值。在图2中，通过硬限幅器HY将第二信号y(t)转换为对应的二元双极波形(binary bipolarwaveform)。通过一开关将该波形及其极性反转的副本提供给取平均或者积分单元AVG。该开关通常是断开的，但是当零交叉检测器ZCD分别检测第一信号x(t)中的上升交叉或者下降交叉时该开关将输出或者其极性反转的副本提供给单元AVG。信号x(t)已由硬限幅器HX进行了处理，然后由可变延迟线VD进行延迟。在经过预定的时间间隔后(或者当满足预定条件(例如，零交叉的数量达到预定值)时)，将单元AVG的输出传送给数据处理器DPR。该输出表示图1中所示函数上的一个点。数据处理器DPR将由可变延迟线VD引入的延迟设置为不同的值，然后重复该操作以导出该函数上的其它点。通过将从单元AVG对于不同延迟而获得的不同值进行比较，数据处理器DPR可以确定信号x(t)和y(t)之间的延迟。也可以将可变延迟线VD设置在信号y(t)的路径中，而对信号x(t)进行适当的恒定延迟。在另一改进中，省略了硬限幅器HY，并且单元AVG对信号y(t)的模拟值直接进行运算。另外，通过使用固定延迟来代替可变延迟线VD可以实现监测系统，从而可以使用该系统来监测目标的范围是否偏离了与固定延迟的值对应的特定距离。
如在上述目标检测和测距系统中一样，两个信号之间的偏移可以表示时间，或者可以表示诸如线性偏移或者角偏移的另一参数。在一个具体示例中，第一信号可以表示图像，例如穿过二维视频图像的直线。第二信号可以表示该图像的第二版本，该第二信号相对于第一信号发生了线性偏移(平移(translated))。每一个信号例如可以为表示穿过屏幕的直线的灰度级。可以对这两个信号中的一个进行处理以获得连续的多个点，每一个点表示具有特定基准电平的灰度级波形的交点。然后可以将这些点用于对第二信号的不同版本进行抽样，每一个版本与不同的线性偏移相关联。由此可以通过使用上述交联技术来确定图像的移动量。
在EP-A-1378854(在此通过引用并入)中示出了涉及使用零交叉检测的信号分析的另一示例。其中，使用了交联技术来导出有关信号的信息，例如，对由该信号表示的图像、声音或者其它物理现象进行分类。在这种情况下，使用在该信号中检测的零交叉来触发对相同信号的抽样。在各个零交叉的出现和该信号的抽样之间引入延迟。将这些抽样进行组合以得到第一值。以不同的延迟重复该操作以产生其它值。使用不同延迟而导出的多个值形成原始信号的表达(representation)，并且该表达的形状表示信号的统计特性。
在WO-A-03/036564(在此通过引用并入)中公开了涉及电平交叉检测的另一技术。通过使用映射函数来导出图像的一维表达(该表达具有变化的电平)，以及确定以下的值来对该图像进行分析(a)电平与一个或者更多个阈值交叉的比率；(b)当信号与一个或者更多个阈值电平交叉时信号的平均斜率；和/或(c)信号保持在一个或者多个阈值电平之上的平均持续时间。
噪声和其它干涉信号会降低上述系统的性能。由于有害信号与正在进行处理的不规则信号在功能上或者统计学上不相关，所以干涉抑制的效率将随信号中电平交叉的数量而增加。以WO-A-00/39643的交联技术为例，所接收的信号y(t)的平均分段数量由从所发送的随机信号x(t)提取的重要事件(零交叉)的数量来确定。因此，理想的是，确定需要在时间T内进行平均的y(t)的信号段的最佳数量，以提供最大的干涉抑制。
已知的是，通过抽样定理(sampling theorem)，在由间隔1/(2W)分离的时间瞬间均匀地取得的信号抽样来完全确定宽带随机信号，其中W是信号功率谱的最高频率分量。该结果通常表明持续时间T的噪声波形包含有Λ＝2WT个自由度。
在信号处理应用中，还可以将乘积Λ称为处理增益，这是因为其表示通过对各个噪声波形的非相关抽样进行平均而可获得的噪声功率降低的界限。还已知的是，将上述结果应用于以非均匀方式对噪声波形进行抽样的情况，仍然具有每秒2W样本的平均抽样速率。
根据上述讨论可以得出，当从所发送的宽带信号x(t)中提取的零交叉的数量小于Λ时，可以使为抑制有害干涉而对零交叉进行操作的处理器的能力降低。通过以下示例对这一结论进行详细说明。
示例1假设所接收的信号y(t)包括具有均匀功率谱密度的干涉信号n(t)，带限为频率范围(O，W)；由此，在时间T内的自由度数为Λ＝2WT。结果，通过取平均可以由因子Λ使干涉信号功率降低。
还假设用于监视目的的零平均高斯随机信号x(t)具有带限为(O，W)的均匀功率谱密度。根据Rice公式可以得出，在时间T内包含在x(t)中的所有零交叉的预期数量等于N0(T)＝2TBx，其中Bx=W/3]]>是x(t)的均方根(rms)带宽；由此，N0(T)=2WT/3<Λ.]]>由于各个零交叉精确地确定了要进行平均的所接收信号y(t)的一段，所以干涉信号n(t)的功率将减小，其减小量为可达到的最大值Λ的一部分，1/3≈0.58.]]>因此，在WO-A-00/39643中公开的基于交联的技术不能提供干涉的最佳效率的抑制，因为从所发送的随机信号x(t)中提取的零交叉的数量通常小于包含在有害干涉信号n(t)中的自由度数。
因此，理想的是，提供一种使得能够提高距离分辨率(rangeresolution)和干涉抑制的技术。所得到的改进技术例如可以应用于工作在无线电或者微波频率范围内并且使用宽带随机信号进行目标检测和定位的监视系统。
以此类推，取决于电平交叉的上述其它信号处理应用的性能不是最优的，并且期待着进一步提高其性能。
发明内容
本发明的各个方面在所附权利要求中进行了陈述。
根据本发明的另一独立方面，以下述方式将宽带不规则模拟信号分解为占用不同频带的多个通道(优选地，具有至少基本上相等的相应带宽)，该方式使得这些通道中的信号比原始宽带信号集中地表现出明显更多的给定电平(例如，零电平)的交叉。
如在文献I.J.Good，The Loss of Information due to Clippinga Waveform，Information and Control.10，220-222(1967)(在此通过引用并入其内容)中所示，当噪声的功率谱密度在频带(W1，W2)中均匀，而在该频率的外部变为零时，噪声波形的零交叉可以提供足够数量的自由度，并且W1不小于W1min=4W27+33≈0.3139W2---(1)]]>因此，当W1＜W1min时，在所接收的信号y(t)中出现的干涉分量n(t)的功率将减小，其减小量小于处理增益可达到的最大值Λ＝2(W2-W1)T。
因此，理想的是，在各个频带中最高频率与最低频率之比大约为1/0.3139∶1，即大约为3.19∶1。尽管该数值对于非均匀(例如，高斯)谱密度是变化的，但是对于实际值的信号仍然大约为3∶1或者稍大。在本发明中，通常优选地使该比率位于2.5∶1至3.5∶1的范围内，以使得能够获得最佳效率或者接近最佳的效率。比率越小，对通道数量的需求越大，从而导致冗余和低效率(尽管在特定情况下冗余可能是期望的)。比率越大，零交叉越少，从而显著降低效率。
这些频带优选地至少是近似连续的。因此，上述比率范围还适用于例如各个频带的最高频率与下一较低频带的最高频率之比。可以通过任何已知的带宽定义(例如rms带宽或者3db带宽)来限定各个频带的最高和最低频率；事实上，由于这仅仅是度量(scaling)问题，所以当考虑该频率比时，该精确定义通常是不相关的。
优选地，该频带集中地覆盖了基本上该宽带信号的整个谱；然而，本发明并不排除省略该谱内的小频率范围的可能性。本发明特别适用于其功率谱延伸到d.c.(频率为0Hz)的低通宽带信号。在这种情况下，可以通过低通滤波器来限定最低频带。因此，可以不将最高/最低频率比的上述上限应用于最低频带。
根据本发明的另一独立方面，以下述方式将主宽带不规则信号x(t)分解为M个分量不规则信号，x1(t)，x2(t)，…，xM(t)，该方式使得—各个分量信号将占用比主信号的频带窄的频带，—多个分量信号共同提供在数量上有很大增加的零交叉，其数量优选地不少于包含在主宽带不规则信号x(t)中的自由度数；—多个分量信号共同地提供其数量不少于包含在要进行抑制的有害干涉信号中的自由度数的零交叉；—可以将分量信号适当地进行组合以重构主宽带不规则信号x(t)。
本发明涉及用于分解宽带信号的方法和装置，涉及使用该分解技术进行信号或者信号对研究的方法和装置，并且涉及使用这种研究技术来进行目标检测和/或测距的方法和装置。
将参照附图以示例的方式对实施本发明的方案进行说明。
图1表示通过处理宽带噪声信号而试验性地获得的S形函数的示例。
图2是使用串行交联技术的时延确定系统的方框图。
图3表示根据本发明的用于执行主宽带随机信号的分解的滤波器组(bank)的方框图。
图4表示根据本发明的主宽带信号的矩形谱和用于信号分解的三个带通滤波器的矩形功率传递函数之间的关系。
图5表示被设置为根据本发明进行工作的M通道二元分量分解器。
图6是被设置为根据本发明进行工作的目标检测和测距系统的方框图。
图7是被设置为根据本发明进行工作的另一目标检测和测距系统的方框图。
图8表示通过从主高斯谱(虚线)减去经频率换算的(frequency-scaled)高斯谱而得到的所需功率谱密度(实线)。
图9表示所需脉冲响应(实线)及其近似(虚线)。
图10是被设置为根据本发明进行工作的滤波器组的基本带通单元的方框图。
图11表示主宽带随机信号和通过将宽带噪声信号施加给根据本发明构造的基本带通单元而试验性地获得的结果带通分量随机信号的示例。
图12表示被设置为根据本发明进行工作的包括多个基本带通单元的滤波器组的方框图。
图13表示被设置为根据本发明进行工作的包括多个基本带通单元和单个低通滤波器的改进滤波器组的方框图。
图14是根据本发明的另一时延确定系统的方框图。
具体实施例方式
图3表示根据本发明的用于对主宽带模拟信号x(t)进行分解的滤波器组BOF的方框图。滤波器组BOF包括多个带通滤波器F1、F2、…、FM，它们共享由要进行分解的主带宽信号x(t)驱动的公共输入。滤波器组BOF的各个滤波器Fm(m＝1，2，…，M)具有矩形功率传递函数|Hm(f)|2，并且这些滤波器共同并连续地覆盖由输入信号x(t)占用的频带(W1，W2)。通过该构造，当已指定滤波器组BOF的各个滤波器的传递函数Hm(f)(或者等效地为脉冲响应)时，所得到的分量随机信号x1(t)，x2(t)，…，xM(t)将以唯一的方式共同地表示输入宽带随机信号x(t)。还应该注意，分量随机信号是相互独立的，因为它们的功率谱不重叠。
当分量随机信号xm(t)的功率谱密度均匀时，如果滤波器Fm的上截止频率与下截止频率之比等于(或者小于)1/0.3139≈3.19，则在该信号(在滤波器Fm的输出观测到的)中出现的零交叉的数量将等于(或大于)包含在该信号中的自由度数(如示例1所示)。
当要进行分解的主宽带随机信号x(t)的功率谱密度在频带(W1，W2)内是均匀的并且在该频带的外部变为零时，则由滤波器组BOF使用的滤波器的所需数量M将取决于比率RUL＝W2/W1，如以下表1所示。
表1RULMRUL≤3.19 13.19＜RUL≤10.15 210.15＜RUL≤32.33 3在实际应用中，比率RUL的值很少超过32。例如，为了检测各种复杂目标，询问信号必须包含30MHz至960MHz范围的频率分量(因此，RUL＝32)，如在文献Guo-sui Liu等人.，Random Signal Radar，IEEE Transactionson Aerospace and Electronic Systems.39，489-498(April 2003)中所述。
为了进行说明，图4示意性地表示主宽带信号x(t)的矩形谱Sx(f)和用于信号分解的三个带通滤波器F1、F2和F3的功率传递函数之间的关系。应该注意，第一分量信号x3(t)包括主信号x(t)的总功率的大约67％。
当主宽带随机信号x(t)严格为低通信号(即，其功率谱密度延伸到0，由此W1＝0)，则所需带通滤波器的数量M将在理论上趋向于无穷大，并且滤波器组BOF将采用“分形”结构。但是，在实践中，可以通过一低通滤波器来替代滤波器组BOF的第M个滤波器。在这种情况下，当仅使用三个滤波器(M＝3)时，自由度数的损失将小于4.2％，并且对于四个滤波器(M＝4)的情况，该损失进一步减小为大约1.3％。因此，在大多数的实际应用中，将由用于信号分解的滤波器组BOF采用的带通滤波器的数量M限制为3或4个，而不考虑要进行分解的宽带随机信号x(t)的谱宽。存在其中有两个滤波器即足够的一些结构，例如使用50MHz至600MHz的可以穿过枝叶遮蔽的频带(foliage penetration band)的监视系统。
根据本发明的优选方面，在滤波器组BOF的各个带通滤波器Fm之后设置相应的硬限幅器HLm，以形成M通道二元分量分解器BCR(图5示出了其方框图)。结果，将各个分量随机信号xm(t)转换为对应的随机二元波形bm(t)，并且由M个随机二元波形b1(t)、b2(t)、…、bM(t)来共同表示主宽带随机信号x(t)。根据多个分量随机信号的相互独立性，可以得出，所得到的随机二元波形也是相互独立的。应该注意，硬限幅器不必产生相等并且恒定电平的输出；各个输出可以具有例如取决于各个信号分量的功率的振幅。
可以使用根据本发明设置的M通道二元分量分解器和滤波器组来构造改进的交联器XL，以将其用作目标感测装置的信号处理器SP。图6中示出了所得到的系统的方框图。该系统包括具有平坦谱的宽带噪声源NS、功率放大器PA、发射无线TA、接收天线RA、输入放大器IA、具有图5所示结构的M通道二元分量分解器BCRX、具有图3所示结构的一组M个滤波器BOFY、M个信号处理器XL1、XL2、…、XLM、以及波形组合器WFC。各个信号处理器或者交联器XL1、XL2、…、XLM可以具有与WO-A-00/39643的图9、11和13中的任何一个所示结构相对应的结构。
通过二元分量分解器BCRX将具有平坦谱的宽带随机发送信号x(t)的副本分解成M个对应的随机二元波形b1(t)、b2(t)、…、bM(t)。各个处理器XLm(m＝1，2，…，M)执行以下处理(i)从各个二元波形bm(t)中提取零交叉，(ii)使用这些零交叉来限定由滤波器组BOFY的滤波器Fm提供的对应接收分量信号ym(t)的各段，以及(iii)对这些限定分段进行平均。结果，各个处理器XLm产生包含关于在由感测系统检查的区域中出现的各个散射点的反射性和位置信息的部分响应zm(τ)。当在该区域中仅出现单个反射目标时，各个部分响应zm(τ)将呈现与图1所示相同的S形曲线。
然后在波形组合器WFC中将所有的部分响应进行适当地组合以提供全局响应z(τ)，该全局响应z(τ)与部分响应zm(τ)类似，但是将明显更少地受到噪声的影响。如果希望，可以以加权的方式组合这些部分响应，该权值取决于例如在各个频带中的信号的功率。
在一些具体应用中，可以通过由适当的M通道二元分量分解器来替代滤波器组BOFY以改进该系统。
图6中所示的系统涉及将所发送的信号复制到二元分量分解器BCRX。在图7中所示的另选系统中，将噪声信号s(t)传送给二元分量分解器BCRX，该二元分解器BCRX不仅将信号分解为占用不同频带的多个分量，而且产生与这些分量的组合相对应的询问信号x(t)。(以下将参照图12和图13说明用于实现该处理的技术)。因此，所分解的接收信号将更加精确地匹配发送信号的分解版本。
图6和图7的结构产生询问信号x(t)，然后通过单个通道(包括发射天线TA和接收天线RA)发送该信号。作为另选方案，可以通过各个不同的通道(例如，一个通道用于一个分量)来发送各个分量x1(t)、x2(t)、…。因此，可以通过由各个独立的发射天线发送的多个分量的同时出现来产生单个询问信号x(t)。另外地或者另选地，可以通过用于接收不同频带的多个天线来替代单个接收天线。在使宽带天线具有适当的特性比较困难或者昂贵的情况下这些另选方案特别有用，但是在其它情况(例如，当通过诸如光纤的其它介质进行发送时)下也是有用的。
由于以下两个原因而使具有矩形响应的基本滤波器组的实际应用受到限制—适用于测距的宽带随机信号x(t)的频谱具有与矩形频谱实质上不同的形状；该频谱单调递减并且在较高频率处非常平缓(不陡峭)。在将所发送的信号的副本提供给该滤波器组情况下，理想的是，这些滤波器的共同响应特性至少基本上与所发送信号的谱相对应，以提高信噪比并满足其它因素。在通过对这些滤波器的输出进行求和来获得所发送的信号的情况下，理想的是，这些滤波器的共同响应特性与所期望的谱匹配，以使所发送的信号具有适当的形状；—难以构造具有矩形功率传递函数|H(f)|2的滤波器。
因此，本发明致力于研究在其功率谱密度Sx(f)被形成为适用于测距目的的宽带随机信号x(t)中观测的自由度数和零交叉的数量之间的关系。
示例2假设用于询问监视区域的宽带零平均随机信号x(t)具有高斯分布，并且x(t)的功率谱密度Sx(f)具有高斯形状sx(f)=exp(-f22Bx2)---(2)]]>
其中Bx是随机信号x(t)的均方根(rms)带宽。对于具有高斯谱的信号，可以根据如下的rms带宽Bx来确定通常使用的3dB带宽B3dB，B3dB=Bx2ln2≈1.177Bx---(3)]]>根据Rice公式可以得出，平均起来，在时间间隔T内可以从随机信号x(t)中提取N0(T)＝2BxT个零交叉。
假设在接收器中，所接收的信号y(t)包含表示要进行抑制的有害噪声和其他干涉的信号n(t)，则n(t)的功率谱密度Sn(f)将具有与询问随机信号x(t)相同的高斯形状。由此可以根据以下公式确定自由度数Λ，进而可以确定可达到的最大处理增益Λ=T∫-∞∞Rn2(τ)dτ---(4)]]>其中Rn(τ)是n(t)的归一化的自相关函数，即Rn(0)＝1。因此，可达到的最大处理增益为Λ=2πBxT=2πln2B3dBT---(5)]]>因此，Λ＞N0(T)＝2BxT。由于各个零交叉精确地确定了要进行平均的接收信号y(t)的一段，所以不能达到最大处理增益。
事实上，由于N0(T)≈0.56Λ，因此基于零交叉的抽样方案通过进行平均仅确定了最佳干涉抑制所需分段的大约56％。因此，结合基本交联方法使用询问随机信号x(t)将导致次于最佳的检测性能。
为了便于理解根据本发明的优选实施例构成的滤波器组的工作原理，首先进行以下假设(尽管不是必要的)要进行分解的主随机信号x(t)的谱密度Sx(f)具有高斯形状，如上述示例2中所述。
为了使自由度数等于在第一分量随机信号x1(t)中观测的零交叉的数量，可以通过形成x(t)的主密度Sx(f)及其经频率换算的版本Sxα(f)之间的差异来获得x1(t)的所需功率谱密度Sx1(f)，其中sxα(f)=exp(-f22α2Bx2)---(6)]]>并且α≈0.325(在下面说明值α的偏差)。
Sxl(f)=exp(-f22Bx2)-exp(-f22α2Bx2)---(7)]]>在这种情况下，主高斯谱密度Sx(f)的带宽与高斯密度Sxα(f)的带宽之比等于1/α≈3.08。应该注意，在所考虑的矩形频率谱的示例1中，类似的比率大约等于3.19。
对于频带(W1，W2)中的高斯谱密度，所需滤波器的数量M为表2RULMRUL≤3.08 13.08＜RUL≤9.47 29.47＜RUL≤29.133其中，同样地，RUL＝W2/W1。
图8表示从主高斯谱Sx(f)中减去经频率换算的高斯谱Sxα(f)(两者均以虚线示出)而得到的所需功率谱密度Sx1(f)(以实线示出)。
理论上，可以通过使宽带随机信号通过利用以下传递函数的带通滤波器来获得具有所需谱Sx1(f)的分量随机信号x1(t)H1(f)=Sxl(f)exp[-jθ(f)]---(8)]]>其中θ(f)是可任意实现的相位特性。在线性相位特性的情况下(或者当θ(f)＝0时)，滤波器F1的脉冲响应h1(τ)将呈现出图9中的实线所示的形状。然而，由所需传递函数H1(f)或者等效地由脉冲响应h1(τ)指定的滤波器可能难以在实际中实施。
根据本发明的另一优选方面，通过使用仅包括具有基本上恒定的群延迟(group delay)和重叠传递函数的多个低通滤波器的滤波器组，将其谱Sx(f)具有适当形状(不必是高斯形状)的主宽带随机信号x(t)分解成多个分量随机信号。
图10表示被设置为根据本发明进行工作的滤波器组的基本带通单元的方框图。该单元包括两个低通滤波器FL1和FL2，每一个低通滤波器具有适当选择的带宽(滤波器FL1的带宽大于FL2的带宽)和基本恒定的群延迟、恒定延迟DL1以及宽带微分放大器DA。
这两个低通滤波器FL1和FL2可以是用于数据传输应用(例如，SONET(同步光纤网)或者SDH(同步数字系列)系统)的商用型(例如，贝塞耳(Bessel)型、贝塞耳-汤姆森(Bessel-Thomson)型或者准高斯(Gaussian)型)。通常，具有较窄带宽的滤波器FL2的群延迟要比具有较宽带宽的滤波器FL1大。因此，通过将适当选择的延迟DL1引入包含滤波器FL1的通道可以使由两个通道中的输入信号s(t)所经历的延迟相等。该延迟的值等于各个群延迟之差。因此，所得到的脉冲响应(图9中的虚线所示)可以近似于所需的脉冲响应(如实线所示)。
图11表示通过将宽带噪声信号s(t)施加给图10的基本带通单元而试验性地获得的主宽带随机信号x(t)和所产生的带通分量随机信号x1(t)的示例。该单元包括分别具有基本恒定的群延迟以及117MHz和39MHz的3dB带宽的两个低通滤波器。辅助恒定延迟DL1的值等于5ns。如图可见，所产生的带通分量信号x1(t)比主宽带信号x(t)表现出更多的零交叉。
对于具有恒定群延迟的任何类型的低通滤波器FL1和FL2，可以使用以下过程来确定滤波器FL2的所需带宽以及选择DL1的所需延迟1.对于所选择的滤波器FL1，使用由制造商提供的其频率特性在数值上确定与该特性相关的自由度数Λ1(在时间T内)(例如，通过采用示例2中所述的方法)；2.试验性地确定FL1的群延迟(例如，通过检查其对单位步长函数的响应)；3.选择3dB带宽大致等于FL1的1/3的滤波器FL2(不必为与FL1相同的类型)；4.为滤波器FL2在数值上确定自由度数Λ2(在时间T内)；5.试验性地确定FL2的群延迟并且根据FL1和FL2的群延迟之差来计算DL1的所需延迟值；6.试验性地确定在所产生的带通分量信号x1(t)中在时间T内所观测到的零交叉的数量N0x1(T)；7.如果N0x1(T)≈(Λ1-Λ2)，则终止该过程；8.如果N0x1(T)＞(Λ1-Λ2)，则减小FL2的带宽，而如果N0x1(T)＜(Λ1-Λ2)，则增大FL2的带宽(通过改变FL2的特性或者选择不同的滤波器用作为FL2)；9.转到步骤4。
当滤波器FL2与滤波器FL1为相同的类型时，步骤4将利用已在步骤1中建立的带宽和自由度数之间的关系来确定Λ2的值。当重复步骤4以求得Λ2的新值时也可以使用该关系。
当滤波器FL2与滤波器FL1为不同的类型时，步骤4将为所选择的滤波器FL2的类型建立带宽和自由度数之间的所需关系；然后将确定Λ2的值。当重复步骤4时，将使用相同的关系来确定Λ2的新值。
可以将经适当修改的形式的上述过程用于通过计算机进行分析和模拟来确定基本带通单元的所需参数。在这种情况下，省略了步骤2和步骤5，并且可以根据所产生的谱的rms带宽的值来在数值上获得要在步骤6中确定的零交叉的数量。
将用于设计滤波器组的这种技术和采用这种技术的装置(例如，计算机程序)认为是具有独立创造性的。
图12表示被设置为根据本发明进行工作的包括多个基本带通单元的滤波器组BOF的方框图。该系统具有迭代结构，包括具有适当选择的带宽的(M+1)个低通滤波器FL1，FL2，…，FL(M+1)；M个恒定延迟DL1，DL2，…，DLM；M个相同的微分放大器DA；以及求和放大器SAM。除了滤波器FL(M+1)以外，在各个低通滤波器FLm之前选择恒定延迟DLm的值，从而获得所有产生的(M+1)个通道的脉冲响应的最大值，以在相同的瞬时一致。在所示的应用中，通过宽带信号s(t)来驱动滤波器组，并通过在适当的求和放大器SAM中对这些分量信号x1(t)，x2(t)，…，xM(t)进行求和来获得具有所需带通谱的主宽带信号x(t)，并且在此之后，将该信号x(t)作为询问信号发送。
如上所述，可以通过多个天线来发送这些分量信号，在这种情况下，块SAM表示天线，通过同时发送各个分量来产生信号x(t)。另选地，可以将一些分量组合在一起以形成随后由独立的天线发送的分量集合。
图13表示被设置为根据本发明进行工作的包括多个基本带通单元的改进滤波器组的方框图。在该应用中，还通过宽带信号s(t)来驱动滤波器组，但是在用于通道1中的低通滤波器FL1的输出端获得具有所需低通谱的主宽带信号x(t)。应该注意，通过设计，分量信号x1(t)，x2(t)，…，xM(t)之和形成通过由微分放大器DA引入的值所延迟的信号x(t)的副本。该系统构造与图12中所示的系统构造的不同之处在于—不需要求和放大器；—仅使用了M个低通滤波器；—仅需要(M-1)个恒定延迟。
可以采用上述两组滤波器的中的任何一组来构造适当的二元分量分解器BCRX，以与下面的滤波器组BOFY相结合用于由图6或图7中所示的目标检测系统采用的改进交联器XL中。
本发明还可应用于图2中所示类型的时延确定系统。而且，可以连续地而不是同时地处理不同的频带，以减少所需分量的数量。
图14表示采用这种技术的实施例。与图2中的那些组件相对应的标号表示相同的组件。
将信号x(t)传送到包括开关SWX的滤波器组BOFX，该开关SWX选择滤波器F1，F2，…，FM中的任何一个的输出。类似地，将信号y(t)传送到滤波器组BOFY，该滤波器组BOFY包括用于选择这些滤波器之一的输出的开关SWY。数据处理器DPR同时操作两个开关SWX和SWY，以选择对应的滤波器。通过硬限幅器HX将开关SWX的输出传送给由数据处理器DPR控制的可变延迟电路VD，然后传送给零交叉检测器ZCD。开关SWY的输出被传送给硬限幅器HY。如图2所示，只要在信号x(t)中检测到上升交叉，零交叉检测器ZCD就将硬限幅器HY的输出传送给平均器或者积分单元AVG，并且只要检测到下降交叉，就将硬限幅器HY的输出的反向版本传送给平均器AVG。
在工作中，数据处理器DPR将开关SWX和SWY设置为用来选择两个滤波器组BOFX和BOFY的第一滤波器F1。该系统工作预定时间，或者直到满足预定条件，在该过程中平均器AVG对取决于在零交叉检测器ZCD检测到上升交叉和下降交叉时的信号y(t)的值进行累加。然后数据处理器DPR操作开关SWX和SWY以选择下一滤波器F2，由此重复该操作，这样将从各个频带获得的输出进行组合(可能以加权的方式)。连续进行该过程直到依次选择了所有的滤波器为止。然后，数据处理器DPR读取平均器AVG的输出，使平均器复位，改变由可变延迟VD导致的延迟并且重复该过程。
因此，数据处理器DPR将从平均器AVG获得用于可变延迟VD的各次设置的一个值，然后能够选择使信号x(t)与信号y(t)基本上一致的延迟值。对于各个延迟值，通过在滤波器F1，F2，…，FM的各个频带中的信号x(t)和y(t)的分量来连续地影响平均器。
在上述交联技术中，使用一个信号中的有效事件(significantevent)对另一信号进行抽样并且将这些样本进行组合。当在各个信号之间引入不同延迟的同时重复该过程。对于各个延迟获得一值，并且分析这些值以确定哪一个值表示在第一信号中的有效事件和第二信号的对应部分之间的最大一致。另外，还可以使用第二信号中的多个有效事件以对第一信号进行抽样。如果各个延迟的值是通过将来自第一信号的抽样与来自第二信号的抽样进行组合而获得的，则可以获得更好的信噪比。
尽管在使用交联技术的目标检测系统的情况下说明了本发明的分解技术，但是还可以存在其它的应用。这些技术对于促进信号分析有特殊的价值，例如通过从中获得诸如零交叉的有效事件，并且用于对两个信号进行比较，这两个信号中的一个信号可以是另一信号的时延版本。在后一情况下，不一定要使用交联技术；相反地，可以使用本身已知的其它技术，例如，诸如极性一致相关的相关技术。
本发明的这些技术还可以用于对宽带不规则信号的其它类型的分析。例如，如上所述，WO-A-03/036564描述了一种技术，该技术用于通过参照一个或者更多个阈值对信号(该信号可以表示诸如图像的实体)的特性进行分析来对该信号进行分类。通过使用本发明的技术，可以将原始信号分成占用不同频带的各个不同的分量，由此，与原始信号相比，实质上增大了各个分量与给定阈值交叉的组合次数。通过使用该技术来应用本发明，从而减少所考虑的不同阈值的数量(如果信号为双极信号，则可以仅使用一个为零的电平阈值)，并且/或者导出具有与多个独立频带相对应的多个独立分量的特征向量。
一些系统的优点在于检测设置在信号的中心频段的电平交叉(特别是双极信号中的零交叉)，因为该结果与数值范围无关，因此较少受到例如信号强度的影响。如果为了提高性能而额外地使用了非零电平交叉，则会失去该优点。本发明在这种系统中具有特别的优势，因为该系统产生附加的零交叉，所以可以提高性能，而不需要使非电平交叉。
本发明特别适用于对上升交叉和下降交叉都进行检测的系统(例如上述系统)，但是该系统对上升交叉和下降交叉进行区分，以使得可以对它们进行不同的处理。
当应用于无序随机信号时，本发明具有特殊价值。然而，还可以将本发明应用于其它信号，例如类噪声信号、或者确定性信号(优选地，该信号至少在所关注的时间段内基本上是非周期的)，并且术语“随机”旨在涵盖这种不规则信号。
为了解释和说明的目的，对本发明的优选实施例进行了上述说明。其目的并不在于进行穷举或者将本发明限制为所公开的具体形式。鉴于上述说明，很明显，本领域的技术人员可以进行各种改变、改进以及变形，以在适合于所构想的特定应用的各种实施例中应用本发明。
以下是表示频率换算的α(参见公式6)的适当值的推导过程。
假设x(t)是具有高斯形状的功率谱密度(psd)Sx(f)的静态零平均随机高斯信号。
Sx(f)=exp(-f22Bx2)---(A)]]>其中Bx是由以下公式定义的均方根(rms)带宽，Bx=Δ∫-∞∞f2Sx(f)df∫-∞∞Sx(f)df---(B)]]>在随机高斯信号x(t)的情况下，通过Rice公式给出在时间间隔T内出现的所有零交叉(即上升交叉和下降交叉)的数量N0(T)。
N0(T)＝2BxT(C)
其中Bx是该信号的rms带宽。
根据以下公式可以确定表征一段随机高斯信号x(t)的自由度数Λ，Λ=T∫-∞∞Rx2(τ)dr---(D)]]>其中T是该段的持续时间，而Rx(τ)是x(t)的归一化自相关函数，即Rx(0)＝1。
具有psd(A)的信号x(t)的归一化自相关函数Rx(τ)的形式如下，Rx(τ)=exp(-2π2Bx2τ2)---(E)]]>因此，通过下式给出包含在x(t)的分段T中的自由度数Λ，Λ=2πBxT---(F)]]>由公式(C)和公式(F)可见，由于N0(T)＜Λ，所以在时间间隔T内所观测到的具有psd(A)的随机高斯信号x(t)的零交叉不能完全表示该信号段。
考虑具有以下psd的随机高斯信号x1(t)，Sx1(f)＝Sx(f)-Sxα(f) (G)其中，Sxα=exp[-f22(αBx)2],0<α<1---(H)]]>通过从(A)中减去其频率换算版本(H)来得到(G)的具体形式。因此，所得到的psd(G)具有独特的通带特性。图8示出了上述psd的形状。
由于(G)的两个谱分量都具有高斯形状，所以可以将与具有psd(G)的信号x1(t)的分段T相关的自由度数Λ1表示为Λ1=2πBxT(1-α)---(I)]]>可以根据(B)来确定具有psd(G)的信号x1(t)的rms带宽Bx1；由此得到Bx1=Bx1+α+α2---(J)]]>因此，由下式给出在x1(t)的分段T中出现的零交叉的数量N01，
N01(T)=2BxT1+α+α2---(K)]]>由(I)和(K)可见，比率N01(T)Λ1=1+α+α2π(1-α)---(L)]]>从 (α＝0时)开始增大，在α接近于1时趋近于无穷大。
当N01(T)＞Λ1时，将信号称为零交叉超定；类似地，当N01(T)＜Λ1时，将信号称为零交叉欠定。因此，计算N01(T)＝Λ1的α的特定值α*在理论上和实际中都是有意义的。
值α*是以下方程的解，α2-α(2π+1π-1)+1=0---(M)]]>该方程满足条件0＜α*＜1；由此得出α*=2π+12(π-1)-[2π+12(π-1)]2-1---(N)]]>并且α*≈0.325。
因此，具有以下带通psd的随机高斯信号x1(t)Sx1(f)=Sx(f)-exp[-f22(α*Bx)2]---(O)]]>具有所需数量的零交叉，以用于任何指定的时间间隔T的表示，在时间间隔T内所观测到的零交叉数量将等于与该时间间隔相关联的自由度数。
该分析可应用于具有高斯概率密度函数和高斯功率谱密度(psd)的随机信号，并且可以进行改进以包括形状与高斯形状不同的psd的随机高斯信号。可以认为，对于具有实际意义的其它类型的信号，值α(对于均匀psd为0.3139，而对于高斯psd为0.325)不会有显著的不同，因此大约为3∶1的高/低频率比可能会对所有这种信号产生有效的结果。
权利要求
1.一种用于分析宽带不规则信号的装置，该装置包括用于将所述信号分离成占用多个不同频带的多个分量的装置，所述多个不同频带基本上是连续的；以及用于在各个频带内检测所述各个分量中的电平交叉的装置；其中各个频带的最高频率与下一较低频带的最高频率的比率为2.5∶1至3.5∶1。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述比率大于或者等于3.0∶1。
3.一种用于分析宽带不规则信号的装置，该装置包括用于将所述信号分离成占用基本上不重叠的N个不同频带的多个分量的装置，所述不同频带具有基本上相同的相对带宽并且基本上共同涵盖下述带宽，在该带宽中最高频率与最低频率之比至少为2.5的N次方；以及用于在各个频带内检测所述各个分量中的电平交叉的装置。
4.根据权利要求3所述的装置，其中N小于5。
5.根据上述任一权利要求所述的装置，其中用于检测电平交叉的所述装置被设置用来检测零交叉。
6.根据上述任一权利要求所述的装置，该装置包括多个通道，每一个通道都用于接收所述带宽不规则信号，并且每一个通道都可操作用来对所述信号引入延迟，以对所述信号进行低通滤波并提供一通道输出，该通道输出从所述低通延迟信号中减去来自具有下一较低滤波器截止频率特性的通道的对应信号，所述延迟电路的特征在于，所述各个通道使得在每一个通道中所述延迟和低通滤波有效地提供基本相同的总延迟。
7.一种用于分解和表达宽带信号的装置，该装置包括上述任何一项权利要求所述的分析装置，用于分解所述信号；以及用于将多个信号分量进行组合，以提供所述宽带信号的表达的装置。
8.一种用于确定两个宽带不规则信号之间的偏移的装置，该装置包括(a)权利要求1至6中的任意一项所述的分析装置，用于检测第一信号的各个分量中的多个电平交叉；(b)用于在由对应的第一信号分量中检测到的所述多个电平交叉和一预定延迟所确定的时刻对第二信号的各个分量进行抽样的装置；(c)用于对于所有频带将在步骤(b)中获得的多个样本进行组合以获得与所述预定延迟相关联的值的装置；(d)对于不同的预定延迟重复步骤(b)和(c)，以获得分别与各个延迟相关联的多个值的装置；(e)用于分析所述多个值以确定与所述第一信号和第二信号之间的偏移相对应的延迟的装置。
9.一种目标检测装置，其包括权利要求8所述的装置，用于测量所发送的信号及其反射信号之间的偏移；以及用于根据所述偏移来导出到下述目标的距离的指示的装置，其中该目标反射所发送的信号。
10.根据权利要求9所述的目标检测装置，包括用于通过组合所述第一信号的多个分量来导出所发送信号的装置。
11.根据权利要求9所述的目标检测装置，包括用于在各个通道中独立地发送所发送信号的多个分量的装置。
12.根据权利要求11所述的目标检测装置，包括多个天线，用于发送所述各个分量。
13.一种目标检测装置，其包括权利要求7所述的装置；用于发送所述表达的装置；用于检测和分解所发送表达的反射信号的装置；以及用于通过组合各个所述信号分量与所检测的反射信号的各个分解分量来对目标进行检测的装置。
14.根据权利要求9至13中的任意一项所述的目标检测装置，包括多个天线，该多个天线被设置用来接收占用各个频带的反射信号的多个分量。
15.一种用于产生根据权利要求1至6中的任意一项所述的分析装置的分离装置的方法，所述方法包括(1)对于第一通道中的第一滤波器，确定与所述第一滤波器的频率特性相关的预定时间内的自由度数；(2)确定所述第一滤波器的群延迟；(3)选择用于第二通道的第二滤波器，与所述第一通道相比，所述第二通道具有下一较低的滤波器截止频率特性，并且所述第二滤波器的带宽基本上小于所述第一滤波器的带宽；(4)确定与所述第二滤波器的频率特性相关的预定时间内的自由度数；(5)确定所述第二滤波器的群延迟并且根据所述第一滤波器和所述第二滤波器的群延迟的差异计算对于所述第二通道的所需延迟值；(6)确定在预定时间内在从所述第一滤波器输出的带通分量信号中观测到的零交叉的数量；以及(7)调节所述第二滤波器的带宽，或者使用具有不同带宽的滤波器来替代所述第二滤波器，直到所确定的零交叉的数量基本上等于所确定的自由度数之差为止。
全文摘要
信号分析。将宽带不规则信号分解为各个频带，在各个频带内，最高频率与最低频率的比率大致为3∶1，并且频带的总数为3或4。将该宽带信号或者通过组合所分解的多个分量而形成的重构宽带信号作为询问信号进行发送。将该询问信号的反射信号分解为各个频带，并且在各个频带内对不同的分量进行比较。将比较结果进行组合以确定是否检测到目标，如果检测到目标，则对该目标进行测距。可以通过在各个频带内使用低通滤波器组来实现对宽带信号的分解，从各个低通滤波器的输出中减去来自具有下一较低频率截止特性的滤波器的输出。在各个通道中使用延迟电路，以使在各个独立通道中的总延迟相等。
文档编号G01S13/00GK1611963SQ20041008988
公开日2005年5月4日 申请日期2004年10月29日 优先权日2003年10月31日
发明者维斯瓦夫·耶日·绍纳斯克 申请人:三菱电机株式会社